JP2020507475A - 構成部品の付加製造方法 - Google Patents

Abstract

構成部品の付加製造方法である。この方法は、粉体特性を選択すること、粉体材料を堆積すること、粉体材料を検査すること、レーザー加工のためのプロセスパラメータおよびレーザーパラメータを選択すること、粉体材料をレーザー加工すること、層の清掃を実行すること、応力状態を決定し、緩和すること、レーザー加工された粉体材料の付加的な検査を実行すること、構成部品の構築が完了するまで、ステップを繰り返すこと、を含んでいる。

Description

本発明は、構成部品の付加製造方法に関する。

先行技術の記載
レーザーに基づく材料堆積は、正確な被覆堆積および層の付加製造に使用されてきた。このプロセスの低いエネルギー効率と比較的遅い堆積速度は採算性と矛盾し、したがって、可能な用途を制限する。チャンバのサイズが小さいので、大きい部品を一体的に構築することは制限される。

層状でのニアネットシェイプ構成部品の製造は、鋳造、鍛造および機械加工等の従来の製造技術に比べて、時間およびコストを節約する大きな可能性を提供することができる。現在、幾つかのアプローチは、正確な粉体の焦点合わせを提供する特別なノズルデザインに依存している。一工程当たり２０〜１００μｍの厚さ範囲での小さい層の積み重ねを伴う小さいビーズサイズが提供される。しかし、これらは極めて遅い堆積速度を用いて、精度を高くする。堆積速度が極めて遅いことによって、従来の製造方法に対する付加製造の利点のいくつかが失われる。

要旨
本発明のある態様では、構成部品の付加製造方法は、粉体特性を選択すること、構成部品を作製するために粉体材料を堆積すること、層特性を決定するために堆積された粉体材料をその場で検査すること、検査結果に基づいてレーザー加工のためのプロセスパラメータおよびレーザーパラメータを選択すること、粉体材料をレーザー加工すること、レーザー加工された粉体材料上で層の清掃を実行すること、材料特性を決定するためにレーザー加工された粉体材料のその場での付加的な検査を実行すること、残留応力を決定するために超音波測定プロセスを介してレーザー加工された粉体材料を検査すること、残留応力が閾値未満であるという決定に基づいて、構成部品の構築が完了するまで、付加的な粉体材料を用いた堆積ステップから始めて、上述したステップを繰り返すこと、を含んでいる。

本発明のこれらの特徴および他の特徴、態様および利点は、以下の図面、説明および特許請求の範囲を参照してよりよく理解されるだろう。

図面を用いて本発明をより詳細に示す。図面は有利な構成を示しており、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明の付加製造プロセスの例示的な実施形態を示すフローチャートである。 本発明の例示的な実施形態のレーザー付加製造プロセスを示す図である。 本発明の例示的な実施形態のフラッシュサーモグラフィー特性検出プロセスを示す図である。 本発明の例示的な実施形態のフラッシュサーモグラフィー特性検出プロセスに基づく、粉体積み上げ厚さを示す図である。 本発明の例示的な実施形態のフラッシュサーモグラフィー特性検出プロセスに基づく、サンプルのピクセル数対厚さを示す図である。 本発明の例示的な実施形態のフラッシュサーモグラフィー特性検出プロセスを示す図である。 本発明の例示的な実施形態のフラッシュサーモグラフィー特性検出プロセスに基づく、金属堆積物の熱伝導率を示す図である。 本発明の例示的な実施形態のレーザー超音波残留応力検出プロセスを示す図である。 本発明の例示的な実施形態のレーザー超音波物理特性検出プロセスの後の残留応力緩和プロセスを実行する選択肢を示す図である。

詳細な説明
以下の有利な実施形態の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照するが、これらの図面には、本発明が実施され得る特定の実施形態が、限定としてではなく例示として示されている。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、変更を加えることができることを理解されたい。

概して、構成部品を付加製造する方法が記載されている。この方法は、粉体特性の選択、粉体材料の堆積、粉体材料の検査、レーザー加工のためのプロセスパラメータおよびレーザーパラメータの選択、粉体材料のレーザー加工、層の清掃の実行、レーザー加工された粉体材料の付加的な検査および構成部品の構築が完了するまでのステップの繰り返しを含んでいる。

速い堆積速度および大きな体積を含む付加製造プロセスが望まれている。以下に記載されるプロセスの実施形態は、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）のように、閉鎖空間で適用可能な実施形態およびクラッディング堆積システムのように開放空間で適用することができる実施形態を含んでいる。これらの実施形態は、最終的な積み重ねにおいて、層同士の間に高さの差を生み出すことができる。

製造工程では典型的であるが、ＳＬＭおよび粉末焼結積層造形法（ＳＬＳ）等の選択的レーザー加熱プロセスは、欠陥および／または残留応力の増大等の物理的特性をもたらす。レーザー加工の前にシミュレーションが行われてもよい。しかし、付加製造プロセスにおいて様々な高さを扱う場合、シミュレーションは有効ではない。

付加製造プロセスの一実施形態を開始するために、粉体の特性が生じる。各層のサイズ、全高の要件、使用される材料および他の粉体特性は、最初のステップで決定される。これらの特性は、レーザーの相互作用を決定する。粉体供給および積み上げによって、粉体材料の堆積が開始される。堆積時には、層の厚さと粉体床密度を、プロセス全体を通して識別し、必要に応じて維持することが重要である。とりわけこれらの層特性は、図３から図５によって示されているように、検査によって評価される。検査は、フラッシュによるサーモグラフィーまたは粉体材料の同様の読み取りであってよい。用語「フラッシュサーモグラフィー」は、そうでないことが記載されていない限り、用語「検査」と互換的に使用される。

導電性等の層特性も、プロセスにおけるフラッシュサーモグラフィーステップによって評価され得る。さらに、フラッシュサーモグラフィーは、層内の孔または層内の亀裂等の欠陥をマッピングすることもできる。フラッシュサーモグラフィーの結果の評価に基づいて、レーザー加工パラメータおよびプロセスパラメータを選択することができる。さらに、欠陥または未取得のパラメータがある場合、これらの値がプロセスパラメータに影響を与える可能性がある。これらのプロセスパラメータを、事前設定されたパラメータのデータベースから選択することができる。

その後、レーザー加工が実行される。レーザー加工の後、余分な材料等を除去するために層の清掃が実行される。別の回のフラッシュサーモグラフィーが、堆積特性の取得および評価のために実行される。このような堆積特性は、厚さ、導電率および層間剥離／亀裂等であるが、これらに限定されない。図６および図７は、フラッシュサーモグラフィーと、示されているように欠陥がある場合のサンプルの結果を示している。堆積された材料の熱伝導率は、材料の密度と相関し得る。

フラッシュサーモグラフィーの結果を評価した後のプロセスのこの段階で、要件を満たしていない場合、プロセスは、プロセスパラメータおよびレーザー加工パラメータの選択に戻り、再び、レーザー加工を続ける。

レーザー加工中、走査された層において、急速な温度サイクルと急峻な温度勾配が生じる。温度勾配は、プロセスの完了にあたって部品内に残る可能性がある熱応力、すなわち残留応力を誘発する。これらの残留応力は、構築部品の機能性および構造の完全性にとって有害となり得る。レーザー超音波は、このプロセスに含めることができる、残留応力のその場での非破壊的な測定であり得る。層内の残留応力を測定および評価することによって、残留応力レベルを制御することが可能になり得る。残留応力を制御することで、部品の反りや早期のひび割れを防ぐことができる。評価後に、残留応力レベルが特定の閾値を下回る場合、プロセスは、付加的な粉体材料層の構築を継続するために、粉体供給および積み上げの準備に戻ることができる。この値が閾値以上であれば、残留応力低減プロセスを実行することができる。このような応力を緩和するために、レーザーショックピーニング技術等の残留応力低減プロセスが実行されてよい。残留応力が緩和されると、プロセスは、粉体供給および積み上げの準備、すなわち粉体材料の堆積のためのステップに戻る。

実施形態は、統合された閉ループが形成されるように、粉体特性、堆積特性および残留応力の分野における献身的な努力を含む。比較的厚い層を、最終製品のバルク領域のために作成することができ、細かい部分を有する領域のために、比較的薄い層を作成することができる。閉ループ制御によって、層の厚さを各層によって変えることができる。上述したように、典型的な層の積み重ねサイズは２０〜１００μｍの範囲である。本明細書に記載の実施形態では、層サイズは１５０μｍ〜４ｍｍに増大し得る。比較的厚い層サイズは、上述したようにバルク領域に使用することができ、細かい部分を有する領域を、典型的な、比較的薄い層サイズに低減することができる。従来の付加製造の典型的な速度は、３０〜４０時間である。層の厚さを変えることが可能にされ、本明細書に記載の実施形態を含むプロセスはここで、約４時間実行され得る。

図１は、本明細書に開示されているステップを使用する、付加製造プロセスの例示的な実施形態のフローチャートを示している。ステップ１００は、付加製造のために選択された粉体特性を有する。ステップ１０２において、粉体供給および積み上げが準備される。粉体材料はこのステップの間に堆積される。ステップ１０４において、層特性のためにフラッシュサーモグラフィーが実行される。結果はステップ１０６で評価され、ステップ１０８におけるプロセスパラメータとレーザー加工パラメータの選択に組み込まれる。ステップ１１０はレーザー加工の実行を含んでいる。ステップ１１２は、レーザー加工後の層の清掃を含んでいる。ステップ１１４において、材料特性のために付加的なフラッシュサーモグラフィーが実行される。ステップ１１６において、材料特性が評価され、所定の閾値と比較される。材料特性が閾値を超える場合、プロセスはステップ１０８の実行に戻る。材料特性が閾値内にある場合、ステップ１１８が、超音波残留応力測定プロセスとして実行される。ステップ１２０において、測定された残留応力が閾値と比較される。残留応力が閾値を超える場合、すなわちテストに失敗した場合、ステップ１２２が実行される。ステップ１２２は、レーザーショックピーニング等の残留応力低減プロセスを実行する。残留応力が閾値よりも低い場合、ステップ１２４で全構成部品の構築が完了したか否かが判定される。全構成部品の構築が完了していない場合には、ステップ１０２から始まって、これらのプロセスが繰り返される。全構成部品の構築が完了している場合、プロセスは終了してよい。

このプロセスは、構成部品の構築を迅速に決定するとともに、その場での閉ループ制御を正確にすることができる。層の積み重ねの間または層と層の間で迅速な決定を下すことができるため、構成部品の作成にかかる時間が短縮される。さらに、層を積み重ねながらあらゆる欠陥に対処することによって、プロセスの欠陥は初期の段階で除去され、それ故に、部品を作り直すための作業が少なくなる。このプロセスは、利用可能な技術を改善しながら、コストと時間を節約する。

構成部品の構築後に、構成部品の熱処理が完了されてよい。さらに、構成部品が機械加工されても、他の方法で仕上げられてもよい。当業者には、簡潔さおよび明瞭さのために、本開示と共に使用するのに適した全てのレーザー加工の全ての構造および動作が、本明細書において図示または説明されていないことが明らかである。代わりに、本開示に特有な、または本開示を理解するのに必要な、限られたレーザー加工システムが示され、説明されている。レーザー加工の構成および動作の残りの部分は、当技術分野で知られている様々な現在の実装形態および実施形態のいずれにも準拠することができる。

本明細書に開示された付加製造方法の態様は、任意の適切なプログラミング言語またはプログラミング技術を使用する任意の適切なプロセッサシステムによって実装されてよいことが明らかである。このシステムは、任意の適切な回路の形態をとることができ、これは例えばハードウェア実施形態、ソフトウェア実施形態またはハードウェア要素とソフトウェア要素の両方を含む実施形態を含み得る。ある実施形態では、このシステムは、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含み得るがこれらに限定されないソフトウェアおよびハードウェア（例えばプロセッサ、センサ等）によって実現されてよい。

さらに、プロセッサシステムの一部は、プロセッサまたは任意の命令実行システムによって使用されるまたはそれらに関連して使用されるプログラムコードを提供するプロセッサ使用可能またはプロセッサ読み取り可能媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形態をとり得る。プロセッサ読み取り可能媒体の例は、一時的でない有形のプロセッサ読み取り可能媒体、例えば半導体または固体メモリ、磁気テープ、取り外し可能なフロッピーディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、剛性磁気ディスクおよび光ディスクを含んでいてよい。光ディスクの現在の例には、読み込み専用コンパクトディスク（ＣＤ−ＲＯＭ）、書き換え可能なコンパクトディスク（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）およびＤＶＤ、ならびに他の既知の光学式、電気式または磁気式記憶装置ドライブおよび媒体が含まれる。

プロセスパラメータはデータベースにおいて提供されても、複数の異なるソースデータセットからのデータを含んでいる一次レコードストアに対応していてもよい。プロセスパラメータを構成するために使用されるデータは、他のデータベース、ＸＭＬ構造および／または他のデータストア構造に由来してよい。また、プロセスパラメータを生成するためにデータを提供するプロセスは、抽出／変換／格納（ＥＴＬ）プロセスを含んでいてよい。

特定の実施形態を詳細に説明したが、通常の当業者には、本開示の全体的な教示に照らして、これらの詳細に対する様々な修正形態および代替形態を開発することができることが明らかである。したがって、開示された特定の構成は、例示のみを目的としており、添付の特許請求の範囲全体および特許請求の範囲のいずれかおよび特許請求の範囲の全ての均等物に与えられる本発明の範囲に関して限定するものではない。

Claims (8)

1. 構成部品の付加製造方法であって、
   粉体特性を選択するステップと、
   前記構成部品を作製するために粉体材料を堆積するステップと、
   層特性を決定するために、堆積された前記粉体材料をその場で検査するステップと、
   検査結果に基づいて、レーザー加工のためのプロセスパラメータおよびレーザーパラメータを選択するステップと、
   前記粉体材料をレーザー加工するステップと、
   レーザー加工された前記粉体材料上で層の清掃を実行するステップと、
   材料特性を決定するために、前記レーザー加工された粉体材料のその場での付加的な検査を実行するステップと、
   残留応力を決定するために、超音波測定プロセスにより前記レーザー加工された粉体材料を検査するステップと、
   残留応力が閾値未満であるという決定に基づいて、前記構成部品の構築が完了するまで、付加的な粉体材料を用いた前記堆積するステップから始めて、上述したステップを繰り返すステップと、
   を含んでいる、構成部品の付加製造方法。
2. 前記付加的な検査を実行するステップは、その前に行われた前記レーザー加工するステップで供給された熱を利用するステップである、フラッシュによるサーモグラフィーである、請求項１記載の方法。
3. 堆積された前記粉体層は、堆積された前記付加的な粉体材料層とは厚さが異なる、請求項１または２記載の方法。
4. 検査結果が受け入れ不可能な特性を識別し、
   前記方法はさらに、超音波測定プロセスステップによる前記検査に続く前に、前記受け入れ不可能な特性を低減または除去するために、選択するステップ、レーザー加工するステップおよび層の清掃を実行するステップを繰り返すステップを含んでいる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 超音波測定プロセスを介した検査が閾値以上の残留応力を識別し、
   前記方法はさらに、前記構成部品の構築が完了するまで、付加的な粉体材料を用いた前記堆積ステップから始まる、前記ステップを繰り返すステップを続ける前に、残留応力低減プロセスステップを実行するステップを含んでいる、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記残留応力低減プロセスステップを実行するステップは、レーザーショックピーニングするステップを含んでいる、請求項５記載の方法。
7. 所望の前記構成部品が完成すると、前記構成部品を熱処理するステップをさらに含んでいる、請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
8. 所望の前記構成部品が完成すると、前記構成部品を機械加工する、または他の方法で仕上げるステップをさらに含んでいる、請求項１から７のいずれか１項記載の方法。

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